1、表面處理,1,目 錄,簡介 10.1 表面前處理 10.2 表面硬化處理 10.3 表面防護處理 10.4 表面光製處理,2,簡 介,工件表面是工件內部材料與周圍環境的交界區域。 通常表面定義：自最外層的物質分子到深幾個m ( m)至幾十個m厚度的材料，如圖10.1所示。,3,4,簡介(續),表面處理是指用於改善工件表面材料的狀態及其機械、物理或化學等性質的方法。 表面處理的目的及應用實例可歸納如下： 1.增加表面的硬度、耐磨耗、抗疲勞等機械性質。 2.增加表面對氧化及腐蝕的抵抗能力。 3.增加表面的耐熱、熱傳導、熱反射等特性。 4.改善表面粗糙度及減少摩擦作用。 5.改變表面的導電性質。 6
2、.改變表面對光的反射、選擇性吸收等特性。 7.增進表面的乾淨、光澤、顏色、美觀等。,5,10.1 表面前處理,表面前處理的目的是為增進產品外表的乾淨及美觀，為後續加工步驟做必要的準備。 表面清潔：利用各種溶劑或超音波等方式，將工件表面附著的油污、各種雜物及氧化或腐蝕的生成物等，加以去除並得到工件材料的真正表面層。 表面機械處理：利用噴砂、研磨或電解拋光等方法，這些方法除了可達到清潔效果外，尚可更進一步使工件表面平滑，和增加其光澤或附著能力。,6,10.1.1 表面清潔,工件的表面常附著有污物，例如油、脂、蠟、碳粒、其他金屬顆粒、粉塵或砂粒等。 在工件表面上的氧化層等生成物，是另一種形式的異物。
3、 以上兩者在後續加工中，尤其是在進行下一步驟的表面處理之前，都必須加以清除乾淨。,7,表面清潔(續),表面清潔的方法有：1.清潔劑清潔法2.電解清潔法3.超音波清潔法4.酸劑清潔法,8,10.1.2 表面機械處理,機械力或電力的作用，可清除工件表面上的污物、銹蝕層、氧化層、毛邊等，而且還可增進表面平滑度及附著能力。 表面機械處理有：1.噴砂2.研磨及拋光，如圖10.2所示。3.電解拋光,9,10,10.2 表面硬化處理,表面硬化處理：增進工件表面層的硬度、耐磨耗性及抗疲勞等機械性質，不影響內部材料的特性，或改變工件的尺寸及外形。 使用的方法： 1.改變表面層化學成分的表面滲透法。 2.改變表面
4、層組織不改變化學成分的表面淬硬法。 3.使表面層產生壓縮殘留應力的珠擊法等。,11,10.2.1 表面滲透法,表面滲透法：經過適當的處理程序，把某些元素滲透並擴散到工件的表面層，因而改變其化學成分，然後視需要再配合適當的處理步驟。 利用表面滲透法處理的鋼材工件，可以改善工件表面層材料的硬度及耐磨耗性，而心部材料則仍保有原來的韌性，用以抵抗衝擊力的作用，使工件能兼顧韌性及耐磨耗的要求。,12,表面滲透法(續),表面滲透法有：1.滲碳法2.氮化法3.滲碳氮化法4.滲硫法5.滲硼法6.金屬滲透法,13,表面滲透法(續),滲碳法：高溫的環境下，將碳元素從原先含碳量較低的鋼 材工件表面滲入，經一段時間後
5、，表面到某一預定深度之材料的含碳量會有不同程度的增加，如圖10.3所示。 滲碳的方式有：1.固體滲碳2.液體滲碳3.氣體滲碳4.真空滲碳,14,表面滲透法(續),氮化法：用於特殊鋼的表面硬化和滲碳不同之處為不經過淬火處理即可得到硬化的結果，且實施的溫度較低。 氮化的方式有： 1.使用氨氣的氣體氮化。 2.使用熔融氰化物的鹽浴氮化。 3.用氨氣和還原性氣體的混合氣體使氣體軟氮化。 4.在低真空，用輝光放電產生氮離子，使離子氮化。,15,表面滲透法(續),滲碳氮化法：同時對工件表面層滲入碳和氮的方法，實施溫度在A1點(727 )以上。 滲碳氮化方式有：1.氣體滲碳氮化2.液體滲碳氮化,16,表面滲
6、透法(續),滲硫法：將硫滲透擴散到工件表面層，使生成硫化物時，可降低表面層的摩擦係數，可用來改善耐磨耗性。 滲硫處理是在其他加工及調質處理後才實施，通常是利用液體鹽浴法。,17,表面滲透法(續),將硼滲透擴散到工件表面層，使生成硼化物時，可得到良好的耐磨耗性、耐蝕性、耐熱性等。 滲硼的方式：1.利用固體的硼粉末2.液體的熔融硼砂3.電解的熔融液4.氣體的BH、BCl與氫氣,18,表面滲透法(續),金屬滲透法：將金屬元素等滲透擴散到工件表面層，使生成硬質合金層，可以提高耐磨耗性、耐蝕性、耐熱性等。 常用的方式是將含有金屬粉末的滲透劑和待處理的工件一起放入容器中，加熱至適當溫度，並保持一段時間以利
7、進行滲透作用，此法又稱為擴散被覆法。,19,10.2.2 表面淬硬法,表面淬硬法：經由適當的加熱過程，使鋼材工件表面層的溫度升高，以至變態成沃斯田鐵組織後，立刻急速冷卻的淬火處理，因而得到麻田散鐵組織的硬化表面層。 表面淬硬法的方法有：1.火焰加熱2.高週波加熱，如圖10.4所示3.電漿加熱 4.電解加熱5.雷射束加熱 6.電子束加熱,20,21,10.2.3 珠擊法,珠擊法：利用高壓空氣或離心力方式，將細小的鑄鋼粒或玻璃珠等，以高速並反覆地撞擊工件表面，使形成不均勻的塑性變形，因而產生壓縮殘留應力。 壓縮殘留應力可增進工件的耐疲勞性而工件表面的強度和硬度也會增加。,22,10.3 表面防護處
8、理,工件表面因與外界環境直接接觸，故較容易受到環境中對其不利因素的影響而產生損壞。 常見的表面損壞形式有：1.生銹2.腐蝕，常見的形式如圖10.5所示。3.刮痕或碰傷,23,24,10.3.1 電鍍,電鍍：將被鍍工件浸入電鍍槽中並置於陰極位置，做為鍍層用的金屬則置於陽極。 通以直流電後，陽極金屬其電子的脫離而變為陽離子溶入電鍍液，在電鍍液中的金屬陽離子，會在位於陰極的工件表面上析出並沈積形成一層金屬薄膜將工件表面覆蓋住，如圖10.6所示。,25,26,10.3.2 熱 浸,熱浸：金屬工件在經過良好的前處理後，浸入低熔點的金屬液槽中，例如鋅、錫、鉛、鋁等，因而形成鍍層的方法。 提供的工件表面保護
9、作用分為兩種模式： 1.鍍層材料比被鍍工件材料的活性大，故即使失去局部鍍層，其餘的鍍層仍會因伽凡尼腐蝕作用而犧牲本身，繼續扮演著保護的角色，如圖10.7(a)。 2.鍍層材料一旦剝落，則可能在工件材料暴露處發生腐蝕，如圖10.7(b)所示。,27,28,10.3.3 無電電鍍,無電電鍍(化學電鍍)：利用鍍液的自催化作用，使鍍液中的金屬陽離子 還原成元素狀態而析出沈積物在工件的表面上，因此並沒有使用電極也沒有通電現象。 鍍層厚度由工件浸入的時間長短所控制，被用做為鍍層的金屬主要有鎳、鈷、銅等。,29,10.3.4 電 鑄,電鑄：作用原理和電鍍相同，但它是一種製造金屬產品的方法。 置於陰極處的是鑄
10、模，金屬沈積析出在其上面所形成的鍍層即為產品。 鑄模與鍍層並不會緊密結合，在作用完成後，兩者會分離。,30,10.3.5 物理氣相沈積,物理氣相沈積(PVD)是利用物理程序在工件表面上鍍薄膜。 主要方法有： 1.蒸鍍：在真空中，把金屬加熱成蒸氣，當遇到溫度較低的被鍍工件時，蒸氣沈積於工件表面上成薄膜。 2.濺鍍：利用高速的惰性氣體離子撞擊置於真空室中的鍍層材料(靶材)，造成它的原子濺射出來並被覆到被鍍工件的表面上。,31,10.3.6 化學氣相沈積,化學氣相沈積(CVD)：不僅可將金屬鍍在工件表面上，也適用於鍍含有碳、氮、硼、矽和氧等陶瓷材料的鍍層，是一種利用高溫產生化學反應的製程。 化學氣相
11、沈積所產生的鍍層通常較物理氣相沈積所得到的為厚。 化學氣相沈積的主要缺點是必須在高溫下才能發生化學反應，故可能造成被鍍工件的組織改變或外形產生畸變。,32,10.3.7 噴 覆,噴覆：利用可產生火焰、電弧或電漿的噴嘴，將金屬合金、碳化物、氧化物或陶瓷材料熔融成小液滴或顆粒狀，再以高速撞擊方式噴覆於工件表面上。 使用的噴覆材料形式可以是棒狀、線材或粉末狀。,33,10.3.8 塗 層,塗層包含陶瓷塗層和金屬氧化物的化成塗層。 陶瓷塗層：將非金屬化合物，塗覆在工件表面上，然後加熱使之燒結而產生黏附，所得的塗層有良好的抗蝕能力。 化成塗層：金屬表面施以化學或電化學作用，使生成化合物表面層，所得表面層
12、含有被處理工件的金屬成分。,34,10.3.9 油 漆,油漆(有機塗層)： 1.可用來隔絕工件表面與腐蝕環境接觸，達成防蝕效果 2.增加美觀。 油漆的組成包括主要成分的顏料、樹脂和溶劑，及少量的添加劑。,35,10.3.10 陽極處理,陽極處理：專為鋁材所發展出來的表面氧化處理，可利用陽極處理得到較厚的鋁氧化層。 程序為：將鋁材工件浸入電解液中當做陽極，電解液含有硫酸或鉻酸，當通電後鋁會氧化形成氧化鋁塗層於工件表面上。 經陽極處理後，工件可增加耐蝕性、表面層更硬、更耐磨耗、更光亮且更美觀。,36,10.3.11 鋼鐵發藍,鋼鐵發藍：將鋼鐵工件浸入含有硝酸鈉和氰化鈉的混合液中，經加熱發生化學反應
13、，可使工件表面生成一層黑色或深藍色的氧化物薄膜。 其氧化膜厚度很薄，防蝕能力並不強，但其色澤美麗且具潤滑性。 在國防工業的武器零件上，以此法處理所得的防護層不會反光，因此可防止被發現。,37,10.3.12 染 色,染色：將金屬表面層經特殊處理後，產生與原先金屬不同的顏色。 處理的方式有： 1.使金屬表面產生氧化物或硫化物等具有特別顏色的化合物。 2.在金屬表面生成一層會干涉光波的薄膜。 處理的方法有：1.化學染色2.電化學染色3.熱染色,38,10.4 表面光製處理,工件經加工後得到如設計圖所要求的形狀和尺寸，同時也會因為不同的製造方法而在工件表面上造成不同的特徵，稱之為表面紋理。 包括：1
14、.缺陷2.刀痕方向3.粗糙度和4.波浪狀,39,表面光製處理(續),工件粗糙度的要求，需依實際狀況而有許多不同的考量，如： 1.要求精密配合的工件，即需要非常平滑的表面。 2.工件使用時，粗糙度對摩擦、磨損及潤滑的影響。 3.表面粗糙度大時，可能會造成凹痕敏感性變大，進而對疲勞作用的影響，造成工件使用壽命減短。 4.粗糙度大的表面會使熱阻及電阻變高，也會使腐蝕性媒介物滲入的可能性變大。,40,表面光製處理(續),5.表面粗糙度大時，可能影響表面處理的鍍層、塗層等的黏附效果。 6.粗糙度的大小會影響工件表面對光的反射特性。 7.表面粗糙度愈小，其外觀愈佳。 8.表面粗糙度要求愈小，則所需的成本愈高。,41,表面光製處理(續),工件表面會依不同的特性要求，進一步採用不同的表面光製處理以減低其粗糙度。 常用的方法有：1.研磨2.拋光3.擦光4.超精磨5.滾筒磨光,
